(57)【要約】【課題】メインの開閉器の開故障によりスイッチング素子等が破損するのを経済的に防止できる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、バッテリと車両の走行用のモータとの間で直流電力と交流電力との変換を行うスイッチング回路と、この変換時にバッテリとスイッチング回路を接続する開閉器５と、開閉器５を流れる電流の電流値を出力する電流センサ６と、電流センサ６の出力をキャリア周波数よりも高い周波数でサンプリングするサンプリング部１４と、そのサンプリング値に基づいて開閉器５の開故障をリアルタイムで検出する開故障検出部１５と、この検出に応答してスイッチング回路の動作を停止させる動作停止部１６とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から車両の走行用モータに供給され又は該走行用モータから該直流電源に回生される電力についてスイッチング素子の開閉動作により電力変換を行うスイッチング回路と、
前記電力変換時に前記直流電源と前記スイッチング回路とを接続する開閉器と、
前記直流電源と前記スイッチング回路との間を流れる電流の電流値を出力する電流センサと、
前記スイッチング素子を駆動するための所定キャリア周波数のパルス幅変調信号を生成するＰＷＭ制御部と、
前記電流センサが出力する電流値を前記キャリア周波数よりも高い周波数でサンプリングするサンプリング部と、
前記サンプリング部によるサンプリング値に基づいて前記開閉器の開故障をリアルタイムで検出する開故障検出部と、
前記開故障検出部により開故障が検出されたことに応答して前記スイッチング回路の動作を停止させる動作停止部とを備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記開故障検出部による開故障の検出は、前記サンプリング部によるサンプリング値に所定の大きな時間変化が生じたかどうかに基づいて行われることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記開故障検出部による開故障の検出は、前記サンプリング部によるサンプリング値を順次所定値と比較することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源から供給され又は該直流電源に供給される電力を変換する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような電力変換装置は、周波数、電圧等の変換や、直流電力及び交流電力相互間の変換を行う。例えば、ハイブリッド車や電気自動車では、バッテリとモータとの間で直流電力と交流電力との変換を行う電力変換装置が用いられている。
【０００３】
このような電力変換装置として、特許文献１に記載のものは、直流電源と交流モータとの間でスイッチング素子により電力を変換するスイッチング回路としてのインバータと、直流電源とインバータとの接続を開閉する開閉器と、直流電源とインバータとの間を流れる電流の電流値を出力する電流センサと、パルス幅変調信号を付与してインバータのスイッチング素子を駆動する駆動部とを備える。
【０００４】
この電力変換装置においては、直流電源をインバータに接続するメインの開閉器に対して並列に、別の開閉器と抵抗との直列回路が設けられている。また、直流電源とインバータとの間には、直流電圧を安定化させるための平滑コンデンサが設けられている。
【０００５】
直流電源をインバータに接続する際には、インバータへ瞬間的に流れる大電流である突入電流を回避するために、まず、該直列回路の開閉器を閉じることにより平滑コンデンサが充電される。充電の完了後、メインの開閉器が閉じられ、該直列回路の開閉器が開かれる。
【０００６】
したがって、直列回路は、その開閉器が閉塞不能となる開故障を生じている場合には、正常に機能せず、突入電流を回避できない。このため、直流電源をインバータに接続する際には、上述の平滑コンデンサの充填に先立ち、直列回路の開閉器における開故障の有無が検出される。
【０００７】
この検出は、直列回路に比較的小さな電圧を印加し、所定の電流が流れるかどうかに基づいて行われる。開故障を生じていないと判明した場合に、上述の手順により、直流電源がインバータに接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−５９１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の特許文献１の技術においては、メインの開閉器における開故障については何ら対策がなされていない。このため、メインの開閉器により直流電源がインバータに接続されているとき、交流モータから大きな回生電力が直流電源に回生される強回生時に開閉器の開故障が発生した場合には、その後のインバータの動作によるスイッチングサージ等によりインバータ内の電圧が上昇する。
【００１０】
上昇した電圧が、直流電源とインバータとの間の平滑コンデンサやインバータ内のスイッチング素子等の許容耐圧値を超えると、これらの素子を破損するおそれがある。これを回避するためには、スイッチング素子として許容耐圧値の高いものを使用したり、平滑コンデンサの容量を大きくしたりする必要がある。このことは、装置のコストや、重量、大きさを増大させる。
【００１１】
本発明の目的は、かかる従来技術の問題点に鑑み、メインの開閉器の開故障による素子の破損を経済的に防止できる電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の電力変換装置は、直流電源から車両の走行用モータに供給され又は該走行用モータから該直流電源に回生される電力についてスイッチング素子の開閉動作により電力変換を行うスイッチング回路と、前記電力変換時に前記直流電源と前記スイッチング回路とを接続する開閉器と、前記直流電源と前記スイッチング回路との間を流れる電流の電流値を出力する電流センサと、前記スイッチング素子を駆動するための所定キャリア周波数のパルス幅変調信号を生成するＰＷＭ制御部と、前記電流センサが出力する電流値を前記キャリア周波数よりも高い周波数でサンプリングするサンプリング部と、前記サンプリング部によるサンプリング値に基づいて前記開閉器の開故障をリアルタイムで検出する開故障検出部と、前記開故障検出部により開故障が検出されたことに応答して前記スイッチング回路の動作を停止させる動作停止部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
ここで、上記の開故障が車両の走行中に発生した場合には、車両の走行中に随時発生する回生電力を直流電源に回生できない状態となる。このとき、大きな回生電力が発生し、スイッチング回路の動作が継続されると、スイッチング回路の電圧が異常に上昇し、スイッチング素子等が損傷するおそれがある。
【００１４】
この点、本発明によれば、直流電源とスイッチング回路との間を流れる電流の電流値を、キャリア周波数よりも高い周波数でサンプリングし、そのサンプリング値に基づいて開閉器の開故障をリアルタイムで検出するようにしたので、開閉器の開故障が生じた場合には、スイッチング素子の開閉周期よりも短い時間でその開故障を検出し、直ちにスイッチング回路の動作を停止させることができる。
【００１５】
すなわち、開故障が発生して回生電力を直流電源に回生できない状態に至った場合でも、これを極力早いタイミングで検知してスイッチング回路で生じ得る障害を予知し、スイッチング回路を停止させるので、スイッチング素子等が破損する事態を未然に防止することができる。
【００１６】
また、これにより、スイッチング素子等として許容耐圧値の高いものを用いる必要が無くなる。また、電流センサとしては回生電力等の計測のために従来備わっていたものをそのまま用いことができる。さらに、サンプリング部は、プログラムの変更等を行うだけで構成することができる。したがって、廉価な構成により経済的にスイッチング素子等の破損を防止することができる。
【００１７】
本発明においては、前記開故障検出部による開故障の検出は、前記サンプリング部によるサンプリング値に所定の大きな時間変化が生じたかどうかに基づいて行われてもよい。
【００１８】
ここで、開閉器の開故障が生じた場合には、直流電源とスイッチング回路との間を流れる電流の電流値が急激に減少するので、この電流のサンプリング値も急激に変化する。したがって、このサンプリング値に所定の大きな時間変化が生じたかどうかに基づいて、容易に開閉器の開故障を検出することができる。
【００１９】
また、本発明においては、前記開故障検出部による開故障の検出は、前記サンプリング部によるサンプリング値を順次所定値と比較することにより行われてもよい。
【００２０】
上述のように、開閉器の開故障が生じた場合には、直流電源とスイッチング回路との間を流れる電流の電流値が急激に減少する。このとき、電流値は、正常時の最小値を超えて減少する。したがって、サンプリング値を適切な所定値と順次比較することにより、サンプリング値が所定値以下となったとき、開故障が発生したと判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のモータ駆動装置における制御部の構成を示すブロック図である。
【図３】図１のモータ駆動装置の制御部による処理を示すフローチャートである。
【図４】図１のモータ駆動装置の電流センサが出力する電流値の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置を適用したモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、このモータ駆動装置は、直流電源としてのバッテリ１と、バッテリ１から電力が供給され又はバッテリ１に電力を回生するモータ２と、バッテリ１とモータ２との間で電力変換を行う電力変換装置３とを備える。モータ２は、車両走行用の三相交流モータであり、車両の駆動輪を駆動する。
【００２３】
電力変換装置３は、バッテリ１から供給され又はバッテリ１に回生される電力を変換するスイッチング回路としてのインバータ４と、インバータ４による電力変換時にバッテリ１とインバータ４とを接続する開閉器としてのメインコンタクタ５と、バッテリ１とインバータ４との間を流れる電流の電流値を出力する電流センサ６と、インバータ４を駆動するプリドライバ７と、装置各部を制御する制御部８とを備える。
【００２４】
インバータ４は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子により構成され、スイッチング素子の開閉動作により電力変換を行う。すなわち、インバータ４は、バッテリ１から供給される直流電流を交流電力に変換してモータ２に供給し、あるいはモータ２から回生される交流電力を直流電力に変換してバッテリ１に供給する機能を備える。
【００２５】
インバータ４とメインコンタクタ５との間において、正負の電力ライン間に平滑コンデンサ９が接続される。また、メインコンタクタ５に対して並列に、プリチャージコンタクタ１０と抵抗１１との直列回路が設けられる。
【００２６】
図２は、制御部８の構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御部８は、メインコンタクタ５及びプリチャージコンタクタ１０を制御するコンタクタ制御部１２と、プリドライバ７に所定キャリア周波数のパルス幅変調信号を供給するＰＷＭ制御部１３と、電流センサ６が出力する電流値を該キャリア周波数よりも高い周波数でサンプリングするサンプリング部１４とを備える。
【００２７】
制御部８は、マイコンやロジック回路により構成される。プリドライバ７は、ＰＷＭ制御部１３からのパルス幅変調信号に基づいてインバータ４を駆動する。
【００２８】
また、制御部８は、サンプリング部１４によるサンプリング値に基づいてメインコンタクタ５の開故障をリアルタイムで検出する開故障検出部１５と、開故障検出部１５により開故障が検出されたことに応答してインバータ４の動作を停止させる動作停止部１６とを備える。インバータ４の動作の停止は、ＰＷＭ制御部１３からのパルス幅変調信号の供給を停止させることにより行われる。
【００２９】
図３は、制御部８による処理の一部を示すフローチャートである。制御部８は、モータ駆動装置の起動時に図３の制御を開始する。詳細には、制御部８は、コンタクタ制御部１２により、平滑コンデンサ９のプリチャージを行い、バッテリ１とインバータ４とを接続する（ステップＳ１〜Ｓ４）。
【００３０】
すなわち、プリチャージコンタクタ１０を閉（オン）状態とする（ステップＳ１）ことにより、平滑コンデンサ９のプリチャージが開始される。プリチャージが完了すると（ステップＳ２）、メインコンタクタ５を閉（オン）状態とし（ステップＳ３）、プリチャージコンタクタ１０を開（オフ）状態とする（ステップＳ４）。
【００３１】
次に、制御部８は、ＰＷＭ制御部１３により、プリドライバ７に対する所定キャリア周波数のパルス幅変調信号の送出を開始する。これにより、プリドライバ７によるインバータ４の各スイッチング素子に対する開閉信号の供給が開始される。すなわち、インバータ４の駆動による電力変換が開始される（ステップＳ５）。
【００３２】
インバータ４の駆動開始後、制御部８は、メインコンタクタ５の開故障の有無を監視する（ステップＳ６〜Ｓ９）。この監視は、メインコンタクタ５に流れる電流に基づいて行われる。
【００３３】
すなわち、制御部８は、サンプリング部１４により、サンプリングのタイミングが周期的に到来する毎に（ステップＳ６）、電流センサ６が出力する電流値をサンプリングする（ステップＳ７）。サンプリングの周期は、ＰＷＭ制御部１３が出力するパルス幅変調信号のキャリア周波数の周期より十分短い値に設定される。
【００３４】
このサンプリングが行われる毎に、制御部８は、開故障検出部１５により、今回得られたサンプリング値と前回得られたサンプリング値との差を取得し（ステップＳ８）、得られた差が所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ９）。所定値以上でないと判定した場合には、メインコンタクタ５に開故障が生じていないものとみなし、ステップＳ５へ戻り、ステップＳ６〜Ｓ９の処理を繰り返す。
【００３５】
一方、得られた差が所定値以上であると判定した場合には（ステップＳ９）、メインコンタクタ５に開故障が発生したものとみなし、動作停止部１６により、ＰＷＭ制御部１３によるパルス幅変調信号の送出を停止する。この場合、プリドライバ７及びインバータ４の動作が停止する（ステップＳ１０）。これにより、図３の処理が終了する。
【００３６】
この図３の処理によれば、モータ２からの強い回生電力がインバータ４に入力されているときにメインコンタクタ５の開故障が発生したとしても、開故障の発生とほぼ同時にインバータ４の動作が停止する。これにより、開故障後もインバータ４のスイッチング素子が開閉動作を継続することによる昇圧やサージ電圧によってインバータ４内の回路の電圧が異常に上昇することが回避される。したがって、許容耐圧を超えた電圧の印加によるインバータ４のスイッチング素子や平滑コンデンサ９の損傷が防止される。
【００３７】
図４は、インバータ４の駆動時に電流センサ６が出力する電流値の波形を示す。図４（ａ）では、メインコンタクタ５に開故障が生じていない正常時の波形が示されている。図４（ｂ）では、途中でメインコンタクタ５が開故障した場合の波形が示されている。
【００３８】
図４（ａ）に示すように、正常時には、電流値の波形は、インバータ４を構成するスイッチング素子の開閉周波数（スイッチング周波数）に対応した周期Ｔでほぼ同一の波形を繰り返す。開閉周波数は、通常はキャリア周波数に一致し、キャリア周波数より大きくなることはない。
【００３９】
このような電流値を、キャリア周波数の周期より十分小さな周期で、例えば、図４（ａ）に示すｔ１〜ｔ６の時点でサンプリングしたとすると、各隣接するサンプリング値の差としては、波形の端部におけるｔ５とｔ６の時点でのサンプリング値の差が最も大きい値となる。
【００４０】
一方、図４（ｂ）に示すように、時点ｔ１の直前でメインコンタクタ５が開故障したとすれば、その直後では電流値が急激に低下するので、図４（ｂ）のように、開故障直後のｔ１〜ｔ６の時点におけるサンプリング値について隣接するサンプリング値同士の差を算出した場合、少なくとも開故障発生後の最初の時点ｔ１及びその次の時点ｔ２でのサンプリング値の差は、開故障発生後に電流値が低下するときのほぼ一定の時間勾配に対応した値となる。
【００４１】
したがって、図３のステップＳ９の判定でサンプリング値の差と比較される所定値を、正常時における隣接するサンプリング値の差の最大値よりも大きく、かつ開故障発生直後の隣接するサンプリング値の差よりも小さい適切な値に設定しておくことにより、ステップＳ９において、開故障の発生を適切に判定することができる。
【００４２】
以上のように、本実施形態によれば、バッテリ１とインバータ４との間を流れる電流の電流値を、キャリア周波数よりも高い周波数でサンプリングし、そのサンプリング値に基づいてメインコンタクタ５の開故障をリアルタイムで検出するようにしたので（ステップＳ６〜Ｓ９）、メインコンタクタ５の開故障が生じた場合には、スイッチング素子の開閉周期よりも短い時間でその開故障を検出することができる。
【００４３】
そして、開故障の検出に応答してプリドライバ７の動作を停止するようにしているので（ステップＳ１０）、モータ２からの強い回生電力がインバータ４に入力されているときにメインコンタクタ５の開故障が発生したとしても、開故障の発生とほぼ同時にインバータ４の動作を停止させることができる。
【００４４】
すなわち、開故障が発生して回生電力をバッテリ１に回生できない状態に至った場合でも、これを極力早いタイミングで検知してインバータ４で生じ得る障害を予知し、インバータ４を停止させるので、開故障発生後におけるインバータ４のスイッチング素子の動作によりインバータ４の電圧がスイッチング素子等の許容耐圧値を超えてこれらの素子を損傷する事態を未然に防止することができる。
【００４５】
また、これにより、インバータ４のスイッチング素子等として許容耐圧値の高いものを用いる必要が無くなる。また、電流センサ６としては回生電力等の計測のために従来備わっていたものをそのまま用いることができる。さらに、サンプリング部１４は、プログラムの変更等を行うだけで容易に構成することができる。したがって、廉価な構成により経済的にスイッチング素子等の破損を防止することができる。
【００４６】
また、開故障検出部１５による開故障の検出を、サンプリング部１４によるサンプリング値に所定の大きな時間変化が生じたかどうかに基づいて行うようにしたので、容易にメインコンタクタ５の開故障を検出することができる。
【００４７】
以上、実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、電力変換装置は、スイッチング回路として、上述のインバータ４に加え、バッテリ１からインバータ４への供給電力を昇圧し及びバッテリ１への回生電力を降圧するＤＣ−ＤＣコンバータを備えていてもよい。
【００４８】
また、開故障検出部１５による開故障の検出は、電流センサ６の電流値についての隣接するサンプリング値の差と所定値とを比較することにより行っているが、これに代えて、各サンプリング値を所定の微分フィルタで処理した値と所定値とを比較することにより行うようにしてもよい。
【００４９】
また、上記実施形態では、開閉器としてメインコンタクタ５を用いているが、これに代えて、リレーを用いてもよい。
【００５０】
また、開故障検出部１５による開故障の検出は、サンプリング部１４によるサンプリング値を順次所定値と比較し、サンプリング値が所定値以下となったとき、開故障が発生したと判定することにより行うようにしてもよい。
【００５１】
すなわち、メインコンタクタ５の開故障が生じた場合には、図４（ｂ）のように、バッテリ１とインバータ４との間を流れる電流の電流値が急激に減少する。このとき、電流値は、図４（ａ）で示される正常時における電流値の最小値を超えて減少する。したがって、サンプリング値を適切な所定値と順次比較することにより、サンプリング値が所定値以下となったとき、開故障が発生したと判定することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１…バッテリ（直流電源）、２…モータ、４…インバータ（スイッチング回路）、５…メインコンタクタ（開閉器）、６…電流センサ、８…制御部、１３…ＰＷＭ制御部、１４…サンプリング部、１５…開故障検出部、１６…動作停止部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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